基本粒子

引入

原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成，那质子和中子还能再分吗？

为什么“基本”粒子这个词要加引号？

四种基本相互作用各自负责什么？

粒子物理追问的是物质的最终层次。到目前，这个层次停在夸克和轻子，但“基本”可能只是暂时的标签。

正文

定义

基本粒子是目前认为不可再分的物质组成单元。这个“不可再分”是实验精度内的判断，不保证永远成立。

粒子的分类

类别	自旋	参与强相互作用	例子
夸克	$1/2$	是	上、下、粲、奇、顶、底
轻子	$1/2$	否	电子、$\mu$ 子、$\tau$ 子、中微子
规范玻色子	整数	部分	光子、胶子、$W$/$Z$ 玻色子
希格斯玻色子	$0$	否	赋予其他粒子质量

夸克和轻子各分三代：

代	夸克	轻子
第一代	上 $u$、下 $d$	电子 $e$、电子中微子
第二代	粲 $c$、奇 $s$	$\mu$ 子、$\mu$ 中微子
第三代	顶 $t$、底 $b$	$\tau$ 子、$\tau$ 中微子

日常物质只由第一代组成，后两代只在高能实验和宇宙射线中出现，且迅速衰变。

夸克与质子、中子

粒子	夸克组成	电荷
质子	$uud$	$+1$
中子	$udd$	$0$

夸克带分数电荷（$\pm 1/3$、$\pm 2/3$），但夸克禁闭使得它们不能单独存在，只能组合成色中性的强子。

类型	组成	例子
重子	三个夸克	质子、中子
介子	夸克-反夸克对	$\pi$ 介子、$K$ 介子

四种基本相互作用

相互作用	强度（相对）	作用范围	传递粒子	作用
强相互作用	$1$	$10^{-15}\mathrm{m}$	胶子	束缚夸克和核子
电磁相互作用	$10^{-2}$	无限远	光子	电荷间作用、化学键
弱相互作用	$10^{-6}$	$10^{-18}\mathrm{m}$	$W$/$Z$ 玻色子	β 衰变、中微子作用
引力相互作用	$10^{-38}$	无限远	引力子（未证实）	天体尺度

强度比是数量级估算，具体取决于能量尺度。

为什么化学只涉及电磁力：原子核内部由强力束缚，核外电子与核、电子之间的作用都是电磁力。化学键、分子间作用力、光的吸收发射，全部是电磁相互作用。所以化学不需要考虑强力和弱力。

标准模型的成就与不足

标准模型成功描述了除引力外的三种相互作用，预言了 $W$/$Z$ 玻色子、顶夸克、希格斯玻色子，实验全部证实。

不足	说明
不含引力	引力无法纳入量子框架
不解释暗物质	标准模型中没有合适的候选粒子
不解释暗能量	—
中微子质量	原版标准模型假设中微子无质量，实验发现振荡，说明有质量
物质-反物质不对称	为什么宇宙中物质远多于反物质

探测方式

粒子太小，无法直接观察，只能通过碰撞产物推断：

方法	原理
加速器	用高能碰撞产生新粒子
探测器	记录轨迹、能量、动量
数据分析	从衰变产物反推母粒子

发现新粒子的标准是统计显著性达到 $5\sigma$，即偶然涨落的概率小于 $3\times 10^{-7}$。

常见误区

错误说法	问题
“基本粒子就是最小的粒子”	是当前精度下的判断
“光子是基本粒子，所以没有结构”	是标准模型的假设，仍在检验
“质子是最基本的”	由夸克组成
“强力和弱力在化学中有作用”	化学反应只涉及电磁力

引出

为什么夸克不能单独存在？色禁闭的机制是什么？

引力为什么难以量子化？

暗物质的候选粒子有哪些？为什么至今没有直接探测到？